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1、光电阴极与光电倍增光电阴极与光电倍增管演示管演示(y(ynsh)nsh)文稿文稿1页，共57页，星期一。优选光电阴极(ynj)(ynj)与光电倍增管2页，共57页，星期一。3. 3.光电三极管的电流关系光电三极管的电流关系(gun x)(gun x)及电连接方法及电连接方法根据根据(gnj)共发射极电流关系有：共发射极电流关系有： IbIp Ic = Ie = （1+） Ib = （1+） Ip = （1+） ESE3页，共57页，星期一。4. 4.象限象限(xingxin)(xingxin)探测器探测器5.PIN5.PIN光电二极管光电二极管 由于由于I I层比层比PNPN结宽的多，光生电流
2、增大结宽的多，光生电流增大; ; 由于耗尽层变宽，结电容变小；提高响应速度由于耗尽层变宽，结电容变小；提高响应速度； 由于由于I I层电阻率很高，故能承受的电压增大层电阻率很高，故能承受的电压增大; ;4页，共57页，星期一。OxA6.PSD6.PSD位置位置(wi zhi)(wi zhi)传感器传感器7 7雪崩光电二极管；雪崩光电二极管；5页，共57页，星期一。第第3 3章章 光电阴极光电阴极(ynj)(ynj)(ynj)(ynj)与光电倍增管与光电倍增管6页，共57页，星期一。 本章主要内容：本章主要内容：3.1 3.1 阴极与阴极电子学阴极与阴极电子学3.2 3.2 外光电效应外光电效应
3、(un din xio yng)(un din xio yng)3.2 3.2 光电阴极光电阴极2.32.3光电管和光电倍增管光电管和光电倍增管7页，共57页，星期一。l阴极（阴极（CathodeCathode） 电子器件中发射电子的一极（电子源）电子器件中发射电子的一极（电子源）l阴极电子学阴极电子学 研究：研究： 1 1）电子和离子）电子和离子(lz)(lz)从固体表面的发射过程从固体表面的发射过程 2 2）粒子）粒子(lz)(lz) 固体表面相互作用的物理过程固体表面相互作用的物理过程3.1 3.1 阴极与阴极电子学阴极与阴极电子学8页，共57页，星期一。l 从能带理论从能带理论(lln
4、)浅谈电子发射浅谈电子发射 【思考思考】如何如何(rh)(rh)使体内电子逸出？使体内电子逸出？9页，共57页，星期一。第一种方式第一种方式(fngsh)第二种方式第二种方式(fngsh)使体内电子逸出的方法：使体内电子逸出的方法：1）增加电子能量）增加电子能量2）削弱阻碍电子逸出的力）削弱阻碍电子逸出的力10页，共57页，星期一。阴极发射电子阴极发射电子阴极发射电子阴极发射电子(dinz(dinz) )（第一种方式）（第一种方式）（第一种方式）（第一种方式）1. 1. 增加电子增加电子(dinz)(dinz)能能量量克服表面势垒而逸出克服表面势垒而逸出阴极阴极加热加热T T足够高足够高部分电
5、子获得足够能量部分电子获得足够能量（1 1）热电子发射）热电子发射（热阴极）（热阴极）金属金属半导体半导体E =E0-EF11页，共57页，星期一。阴极发射阴极发射阴极发射阴极发射(fsh)(fsh)电子（第一种方式）电子（第一种方式）电子（第一种方式）电子（第一种方式）1. 1. 增加电子增加电子(dinz)(dinz)能能量量克服表面势垒而逸出克服表面势垒而逸出阴极阴极加热加热T T足够高足够高部分电子获得足够能量部分电子获得足够能量（1 1）热电子发射）热电子发射（热阴极）（热阴极）光辐射光辐射 物体物体 体内电子吸收光量子后逸出体内电子吸收光量子后逸出（2 2）光电子发射）光电子发射（
6、光电阴极）（光电阴极）12页，共57页，星期一。阴极阴极阴极阴极(ynj)(ynj)发射电子（第一种方式）发射电子（第一种方式）发射电子（第一种方式）发射电子（第一种方式）光辐射光辐射 物体物体 体内电子吸收光量子后逸出体内电子吸收光量子后逸出（2 2）光电子发射）光电子发射(fsh)(fsh)（光电阴极）（光电阴极）半导体光电子主要发射分三类：半导体光电子主要发射分三类：本征发射：价带电子本征发射：价带电子导带电子导带电子 h hEEC C-E-EV V杂质发射：杂质能级电子杂质发射：杂质能级电子导带电子导带电子 h h E Eg g自由载流子发射：自由载流子自由载流子发射：自由载流子导带电
7、子导带电子 忽略不计忽略不计 半导体光电子主要发射分三步：半导体光电子主要发射分三步：对光子的吸收对光子的吸收电子向表面运动电子向表面运动克服表面势垒而逸出克服表面势垒而逸出13页，共57页，星期一。阴极发射电子阴极发射电子阴极发射电子阴极发射电子(dinz(dinz) )（第一种方式）（第一种方式）（第一种方式）（第一种方式）1. 1. 增加电子增加电子(dinz)(dinz)能量能量克服表面势垒而逸出克服表面势垒而逸出阴极阴极加热加热T T足够高足够高部分电子获得足够能量部分电子获得足够能量（1 1）热电子发射）热电子发射（热阴极）（热阴极）光辐射光辐射 物体物体 体内电子吸收光量子后逸出
8、体内电子吸收光量子后逸出（2 2）光电子发射）光电子发射（光电阴极）（光电阴极）（3 3）次级电子发射）次级电子发射（次级电子发射体）（次级电子发射体） 初始能量电子初始能量电子 轰击物体轰击物体 体内电子获得能量逸出体内电子获得能量逸出14页，共57页，星期一。2. 2. 降低阻碍电子逸出的力降低阻碍电子逸出的力（4 4）场致发射）场致发射(fsh)(fsh)（场发射阴极）（场发射阴极） 固体表面施加强电场固体表面施加强电场 削弱削弱(xuru)(xuru)势垒势垒 体内部分电子体内部分电子通过通过隧道效应隧道效应进入真空进入真空量子隧穿示意图量子隧穿示意图IIIIII阴极发射电子（第二种方
9、式）阴极发射电子（第二种方式）阴极发射电子（第二种方式）阴极发射电子（第二种方式）15页，共57页，星期一。CRTCRT （Cathode Ray TubeCathode Ray Tube） 和和 FED（ Field Emission Display ）阴极阴极阴极阴极(ynj)(ynj)的应用举例的应用举例的应用举例的应用举例阴极射线管（阴极射线管（CRT）16页，共57页，星期一。CRT（CathodeRayTube）和和 FED（ Field Emission Display ）索尼索尼20102010 被视为继液晶、等离子、OLED之后的第四大平板显示技术场致发射显示器（场致发射显示
10、器（FED）17页，共57页，星期一。MoSiO2GlassMoSi场发射阵列场发射阵列(zhn li)(zhn li)制作过程制作过程18页，共57页，星期一。19页，共57页，星期一。 金属或半导体受光照时，如果入射的光子能量金属或半导体受光照时，如果入射的光子能量hh足够大，足够大，它和物质中的电子它和物质中的电子(dinz)(dinz)相互作用，使电子相互作用，使电子(dinz)(dinz)从材料表面逸出的从材料表面逸出的现象，也称为外光电效应。它是真空光电器件光电阴极的物理基础。现象，也称为外光电效应。它是真空光电器件光电阴极的物理基础。 3.2 3.2 外光电效应外光电效应20页，
11、共57页，星期一。 当照射到光阴极上的入射光频率或频谱成分不当照射到光阴极上的入射光频率或频谱成分不变时，饱和光电流（即单位变时，饱和光电流（即单位(dnwi)(dnwi)时间内发射的光时间内发射的光电子数目）与入射光强度成正比：电子数目）与入射光强度成正比：I Ik ：光电流：光电流e e ：光强：光强S Se ：该阴极对入射光线的灵敏度：该阴极对入射光线的灵敏度u 光电发射光电发射(fsh)第一定律第一定律斯托列托夫定律斯托列托夫定律21页，共57页，星期一。u 光电发射第二光电发射第二(d r)定律定律爱因斯坦定律爱因斯坦定律 光电子的最大动能与入射光的频率成正比，而与入、光电子的最大动
12、能与入射光的频率成正比，而与入、 射光强度无关：射光强度无关： Emax：光电子的最大初动能。：光电子的最大初动能。 h： 普朗克常数。普朗克常数。 0： 产生光电发射的极限产生光电发射的极限(jxin)频率，频率阈值。频率，频率阈值。 W： 金属电子的逸出功（从材料表面逸出时所需的金属电子的逸出功（从材料表面逸出时所需的 最低最低 能量），单位能量），单位eV，与材料有关的常数，与材料有关的常数， 也称功函数。也称功函数。Emax=(1/2)m2max=h- h0 =h- W22页，共57页，星期一。 入射光子的能量至少要等于逸出功时，才能发生光入射光子的能量至少要等于逸出功时，才能发生光电
13、发射。电发射。波长阈值：波长阈值：hWhc/Whc/W=1.24/A0.76m）发射电子，必须寻求低于（？）的）发射电子，必须寻求低于（？）的低能阈值材料。低能阈值材料。1.63eV23页，共57页，星期一。图图 光电子最大动能与入射光频率光电子最大动能与入射光频率(pnl)的关系的关系0 0W Wmaxmax0(1/2)m2max=h- h0 =h- W为什么会弯曲？24页，共57页，星期一。3.3 3.3 光电阴极光电阴极 能够能够(nnggu)(nnggu)产生光电发射效应的物体称为光电发射体，光产生光电发射效应的物体称为光电发射体，光电发射体在光电器件中常与阴极相联故称为光电阴极电发射
14、体在光电器件中常与阴极相联故称为光电阴极 。什么什么(shn me)(shn me)是光电阴极是光电阴极？阴极25页，共57页，星期一。常用的光电阴极常用的光电阴极(ynj)(ynj)(ynj)(ynj)材材料料反射系数大、吸收系数小、反射系数大、吸收系数小、碰撞碰撞(pn zhun)(pn zhun)损失能量大、损失能量大、逸出功大适应对紫外逸出功大适应对紫外灵敏的光电探测器。灵敏的光电探测器。 光吸收系数大得多，散射光吸收系数大得多，散射能量损失小，量子效率比能量损失小，量子效率比金属大得多光谱响应：金属大得多光谱响应：可见光和近红外波段。可见光和近红外波段。金属：金属：半导体：半导体：常
15、规光电阴极常规光电阴极负电子亲和势阴极负电子亲和势阴极 半导体材料广泛用作光电阴极半导体材料广泛用作光电阴极 26页，共57页，星期一。1.1.灵敏度灵敏度光照灵敏度光照灵敏度色光灵敏度色光灵敏度光谱灵敏度光谱灵敏度灵敏度灵敏度色温色温2856K2856K的钨丝灯的钨丝灯(1)(1)光照光照(gungzho)(gungzho)灵敏度灵敏度 在一定的在一定的白光白光照射下，光电阴极照射下，光电阴极(ynj)(ynj)的的光电流与入射的光电流与入射的白光光通量之比白光光通量之比, ,也称白光灵敏度或积分灵敏度。也称白光灵敏度或积分灵敏度。 它表示在某些特定的波长区域，阴极光电流与入射光的光通它表示
16、在某些特定的波长区域，阴极光电流与入射光的光通量之比。量之比。(2) (2) 色光灵敏度色光灵敏度 一般用插入不同的滤光片来获得不同的光谱范围，滤光片的透射一般用插入不同的滤光片来获得不同的光谱范围，滤光片的透射比不同，它又分别称为比不同，它又分别称为蓝光灵敏度、红光灵敏度及红外灵敏蓝光灵敏度、红光灵敏度及红外灵敏。实际上是局部波长范围的积实际上是局部波长范围的积分灵敏度分灵敏度QB:QB:中国青色或兰色玻璃中国青色或兰色玻璃( (德国德国:BG):BG)HB:HB:中国红色玻璃中国红色玻璃27页，共57页，星期一。 2.2.量子量子(lingz)(lingz)效效率率 阴极阴极(ynj)发射的发射的光电子数光电子数 Ne()与与入射的光子数入射的光子数 Np()之比，之比，称为量子效率称为量子效率:根据定义根据定义: :量子效率和光谱灵敏度之间的关系为量子效率和光谱灵敏度之间的关系为: :式中式中,单位为单位为nm； S()为光谱灵敏度为光谱灵敏度，单位为单位为A/W。 波长一定的单色光照射时，光电阴极发出的光电流与入射波长一定的单色光照射时，光电阴极发出的光电流与入射的单色光通量之
